谈尿素生产的原理及工艺流程

谈尿素生产的原理及工艺流程摘要：在尿素的生产过程中应该尽量避免造成设备的腐蚀，防止发生安全事故，节约成本，实现企业生产长期稳定的进行，促进企业更好地发展。关键词：尿素；生产；原理；工艺流程1尿素生产的基本原理1.1尿素合成的反应机理。由氨和二氧化碳合成尿素的总反应式为：2NH3（1）+CO2（g）=CO（NH2）2（1）+H2O（1）（1）式（1）是一个可逆的放热反映，因受化学平衡的限制，NH3和CO2合成只能部分转化为尿素。关于合成尿素的反应机理有多重说法，但一般认为反应是在液相中分两步进行的。第一步，液氨与二氧化碳反应生成液态氨基甲酸铵，故称为甲胺生成反应：2NH3（1）+CO2（g）=NH4COONH2（1）+119.2kJ-mo1-1（2）式（2）是一个快速、强放热的可逆反应，如果具有足够的冷却条件，不断地将反应热取走，并保持反应进行过程的温度低到足以使甲胺冷凝为液体，这个反应容易达到化学平衡，而且平衡条件下转化为甲胺的程度很高。压力对甲胺的生成速率有很大影响，加压有利于提高反应速率。第二步，甲胺脱水反应，生产尿素：NH4COONH2（1）=CO（NH2）2（1）+H2O（1）-15.5kJ・mo1-1（3）式（3）是一个吸热的可逆反应，甲胺在固相中脱水速率极慢，只是在熔融的液相中才有较快的速率。因此甲胺脱水主要是在液相中进行的，并且是尿素合成中的控制步骤。脱水反应达到平衡时，甲胺的转化率只有50%~70%，有相当数量的反应物未能反应生成尿素。1.2尿素合成反应速率。尿素合成反应过程是一个复杂的气液两相过程，在液相中进行着化学反应。体系中既有传质过程，也有化学反应。传质过程包括：气相中的氨与二氧化碳转入液相和水由液相转入气相。液相的化学反应包括：氯与二氧化碳化合生成甲铵及甲铵转化为尿素和水。当反应物系建立平衡时，气液和相间存在着平衡，同时液相内存在着化学平衡。传质过程和化学反应的同时存在，使尿素合成过程的总反应速率受到传质速率与化学反应速率两方面的影响。由于生成甲胺远快于中胺脱水转化为尿素，所以液相化学反应速率由甲胺脱水反应所决定。而传质方面关键在于氨和二氧化碳由气相传递到液相的速率。因此，可以认为影响尿素合成过程速率的关键因素有两个：其一，氮和二氧化碳由气相传递到液相的速率；其二，液相中甲胺脱水的化学反应速率。对尿素合成塔内的物料反应情况的研究表明：当反应原料进入尿素合成塔后，并非瞬时生成甲胺，这是因为传质过程的影响。工业尿素合成塔一段是直立细长的中空高压容器。反应物料从底部进入，一边向上流动一边进行反应，最后由塔顶部排出。由NH3和CO2生成甲胺是强放热过程，而甲胺脱水转化为尿素是吸热过程，如果甲胺生成反应瞬时结束，则合成塔底部处的温度应最高，由下向上温度逐渐降低。实际上塔内温度沿轴向的变化是上下两部温度较低，中间某一部位温度最高，而且塔顶温度总比塔底要高。再从物料在塔内的停留时间看，物料停留时间为50min，而生成甲胺约需12~15min。下图所示为合成塔内轴向温度的测定数据。从图可见，最高温度位于约1/3塔高处，这表明至少在塔下部1/3的容积内都在进行甲胺的生成反应。合成塔内的气相是由NH3、CO2、H2O及惰性气体组成，液相中则含有甲胺、尿素和水。在一定的温度和压力下，对于一定组成的液相，必然存在着一定组成的气相与之平衡，平衡气相中的NH3和CO2是不可能转移到液相中去的。在这个四元体系液相中，由于尿素和水起了"良好溶剂”的作用，液相中尿素和水含量越多越有利于平衡气相中NH3和CO2转入液相。在反应初期，虽然NH3和CO2的平衡分压很高，但因尿素和水很少，使NH3和CO2不能从气相转入液相。随着甲胺脱水反应的进行，液相中的尿素和水渐增，因此气相中的NH3和CO2不断地转移到液相中，使NH3和CO2的平衡分压随之下降。所以，即使转化速率很高，根据气液两相平衡规律，气相中的NH3和CO2也只能逐步地、而不能瞬时地转入液相，故传质过程必然要持续一定时间。合成塔内轴向温度测定数据2尿素生产的工艺流程2工艺流程2.1甲胺水溶液循环法生成工艺。甲胺水溶液循环法是采用减压加热的方法、将未转化成尿索的甲胺分解、汽化，并使过量氨汽化，来达到未反应物与尿素的分离。为保证未转化物的全部分解，分解常分两段进行；第一段是将合成塔出来的熔融液减压到1.7~1.8MPa，温度保持在160°C左右，使过量氨汽化未转化的甲胺作第一次分解，这一段称为中压分解。第二段是将压力再减到0.3MPa或接近常压，温度保持在150C左右，使甲胺作第二次分解，这一段称为低压分解。中压分解的量约占总量的85%~90%，因而它的工作好坏，将影响全系统的回收及技术经济指标。从分解培出来的分解气，主要含有氨、二氧化碳、水蒸气及少量惰性气体。甲胺水溶液循环法用溶剂来吸收NH3和CO2，使之成为高浓度甲胺溶液循环回合成塔。吸收采用与分解过程相同的压力和相应的段数。2.2二氧化碳气提法生成工艺。气提过程是在气提塔内进行的，合成反应液从上而下在管内与新鲜的CO2逆流接触，管外用蒸汽加热，使合成液中的甲胺进行气提分解。提高气提温度对气提有利，但为避免严重腐蚀和减少副反应的发生，气提的操作温度控制在20C以下。加热管内温度为180C左右。气提塔的液气比由尿素反应确定，因为流过气提塔的二氧化碳将全部用作合成反应原料。气提塔中的液气比约为4（质量比），液体在塔内的停留时间约为1min。在二氧化碳气提法中，为了更疗效地利甲胺反应热和回收NH3与CO2，在合成塔前设置了一个高压甲胺冷凝器，这种流程实际上使尿素合成采用二段完成；即液氨和气体二氧化碳生成甲胺的反应在高压冷凝器内进行。而甲铵脱水生成尿素是在合成塔中进行。2.2.1二氧化碳压缩和脱氢从合成氨装置来的CO2气体，经过CO2液滴分离器与来自空压站的工艺空气混合（空气量为二氧化碳体积4%），进入二氧化碳压缩机。二氧化碳出压缩机三段进脱硫、脱氢反应器，脱氢反应器内装铂系催化剂，操作温度：入口2150C，出口《200C。脱氢的目的是防止高压洗涤器可燃气体积聚发生爆炸。在脱氢反应器中H2被氧化为H2O，脱氢后二氧化碳含氢及其它可燃气体小于50ppm，经脱硫、脱氢后，进入压缩机四段、五段压缩，最终压缩到14.7MPa（绝）进入汽提塔。二氧化碳压缩机设有中间冷凝器和分离器，二氧化碳压缩机压缩气体设有三个回路，以适应尿素生产负荷的变化，多余的二氧化碳由放空管放空。2.2.2液氨升压液氨来自合成氨装置氨库，压力为2.3MPa（绝）,温度为20C,进入液氨过滤器,经过滤后进入高压氨泵的入口,液氨流量在一定的范围内可以自调，并设有副线以备开停车及倒泵用.主管上装有流量计.液氨经高压氨泵加压到18.34MPa（绝），高压液氨泵是电动往复式柱塞泵，并带变频调速器，可在20-110%的范围内变化，在总控室有流量记录，从这个记录来判断进入系统的氨量，以维持正常生产时的原料N/C（摩尔比）为2.05:1。高压液氨送到高压喷射器，作为喷射物料，将高压洗涤器来的甲铵带入高压冷凝器，高压液氨泵前后管线均设有安全阀，以保证装